メッシュ生成用STLファイルの自前での作成方法について

事例報告
メッシュ生成用STL ファイルの
自前での作成方法について
一関高専・若嶋振一郎([email protected])
※ 「自前で」とありますが、サーフェスをメッシュ分割するアルゴリズム（Delaunay分割など）に
ついては含んでいません。STLの記述についてのお話です。
2015/11/14
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
1
OpenFOAMにおけるメッシュ生成方法
まずはともあれ“blockMesh”コマンドを使いこなそう！
1.
• 最近multi gradingを搭載したので使いやすくなりました
• 派生として“extBlockMesh”・・・メッシュスムージング＋Objファイルへのプロジェク
ション機能
市販・フリーメッシャーから出力もしくはネイティブフォーマットを変換
2.
•
•
•
•
:
ICEM CFD
Pointwise/gridgen
Netgen
enGrid
3. フリー３D-CAD(アカデミック)＞STL出力＞sHM/cfMesh
• STLファイルの品質が重要
2015/11/14
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
2
STLファイルとは？
STL=“Stereolithography ”
三次元形状を小さな三角形の集合体（ポリゴン）として表現
• 色やトポロジーデータなどは表現不可
• カーブ形状などの表現不可（微小三角形平面で近似）
→ 曲面（曲率半径大）では十分な解像度の三角形を出力する
• データ構造が簡単で３Dプリンタ用データなどによく用いられる
ASCII形式・・・・可読性あり、データ量多、読み込み遅
Binary形式・・・可読性なし、データ量少、読み込み早
たいていの３D-CAD・CGには出力機能あり
OpenFOAMではsHMやcfMeshのメッシュ生成用データとして利用
2015/11/14
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
3
STLファイルの例
1つの物体はsolidと呼ばれる
1個1個の三角形パッチは
Facetと呼ばれる
solid Part1
facet normal -5.000000e-001 8.660254e-001 0.000000e+000
outer loop
vertex 0.000000e+000 8.660254e+000 5.000000e+000
vertex 5.000000e+000 1.154701e+001 5.000000e+000
vertex 0.000000e+000 8.660254e+000 -1.734723e-015
endloop
endfacet
：
facet normal 0.000000e+000 0.000000e+000 -1.000000e+000
outer loop
vertex 1.000000e+001 2.886751e+000 0.000000e+000
vertex 5.000000e+000 1.154701e+001 0.000000e+000
vertex 1.000000e+001 8.660254e+000 0.000000e+000
endloop
endfacet
endsolid
3Dモデル
2015/11/14
STL形式出力
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
STLファイルの中身（ASCII）
4
STLファイルの基本構造（ASCII形式）
solid NAME
facet normal nx ny nz
outer loop
vertex v0x v0y v0z
vertex v1x v1y v1z
vertex v2x v2y v1z
endloop
endfacet
:
endsolid
2015/11/14
solid ブロック名
三角形（facet）の単位法線ベクトル（表）
三角形（facet）を形成する３つの点の座標
※ 右ねじ回りに指定
※ 法線ベクトルや座標はe表記法(例：1.000000e+01 ）で表記
※ 改行コードはCR+LFが無難？
(nx ny nz)
(v2x v2y v2z)
(v1x v1y v1z)
(v0x v0y v0z)
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STLファイルの基本構造（BINARY形式）
ヘッダー部（任意文字列）
facetの数
facetの数分だけのデータを繰り返す
- facetの単位法線ベクトル3成分
- 節点1の座標3成分
- 節点2の座標3成分
- 節点3の座標3成分
- 2byte分の追加データ(通常は0埋め)
この部分に色情報を埋め込んだ
color STL 形式というものもある。
参考：http://www.fabbers.com/tech/STL_Format
2015/11/14
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
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CFD(OpenFOAM)用に用いるSTLファイルの注意点
単位系
STLファイルで用いる数値は単位系が記述されていないので、[mm]なのか[m]なの
か[inch]なのか、間違いやすいため注意が必要です
三角形ポリゴンで囲まれた空間の表面・裏面の統一
三角形パッチの節点の並び方（右ねじ）と、法線の指定の仕方に矛盾があると、
メッシュ生成ができないことがあります（反転ポリゴン）
三角形ポリゴン同士の干渉・不整合・低品質
あるポリゴンが他のポリゴンとクロスしている場合（ポリゴンの交差）
あるポリゴンの節点が他のポリゴンの節点と同じ値を持つ場合（ポリゴンの重複）
ポリゴンによって空間が閉じられていない場合（ポリゴンの欠落）
ポリゴン座標データに同じものが入っている（点ポリゴン、線ポリゴン）
微小・鋭角三角形
3D-CAD/modeler
ソフトで再作成
（ヒーリングツール）
2015/11/14
目視での確認・修正は非常に困難
（とくに複雑形状になればなるほど）
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
修正ツールを利用
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STLファイルの修正ツール
• MeshLab（ http://meshlab.sourceforge.net/ ）
• MeshMagic（ http://www.nchsoftware.com/meshmagic3d/ ）
• MiniMagics(http://www.vector.co.jp/soft/winnt/business/se453733.html)
・・・非OSSで要登録。エラーチェック機能のみ？
• netfabb basic(http://www.3ds.co.jp/netfabb/index.htm)
• OpenSTL(http://sourceforge.net/projects/openstl/)
・・・Viewer機能のみ？
など
※ 有償Softwareは高機能な分、高価（O(10～100）万円）
※ OpenFOAMにもSTL関係のUtility(surface mesh tools)が存在
→ http://cfd.direct/openfoam/user-guide/standard-utilities/
surfaceCheck, surfaceClean, surfaceMeshConvert , ……….
AppendixにMeshLabを用いた例を追記していますので、ご参照ください。
2015/11/14
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
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STLファイルの作成法（python）
• 構造が分かれば，ASCIIでファイルを作成を作成可能
• pythonでのSTL出力パッケージが多数存在
• pythonでの点列計算→STL出力→sHM/cfMesh→OpenFOAM solverの自動化
• https://github.com/telefab/ImageExtruder/blob/master/photomaton/stl_writer.py
#!/usr/bin/env python
# coding:utf-8
# Purpose: Export 3D objects, build of faces with 3 or 4 vertices, as ASCII or Binary STL file.
# License: MIT License
# http://code.activestate.com/recipes/578246/
import struct
facetのNormal Vectorを
別に計算する必要があるため
そのあたりも追記して改造した
サンプルを公開します
（＠勉強会HP？）
ASCII_FACET = """facet normal 0 0 0
outer loop
vertex {face[0][0]:.4f} {face[0][1]:.4f} {face[0][2]:.4f}
vertex {face[1][0]:.4f} {face[1][1]:.4f} {face[1][2]:.4f}
vertex {face[2][0]:.4f} {face[2][1]:.4f} {face[2][2]:.4f}
endloop
endfacet
"""
BINARY_HEADER ="80sI"
BINARY_FACET = "12fH"
2015/11/14
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(cont.)
class ASCIISTLWriter:
def add_face(self, face):
""" Export 3D objects build of 3 or 4 vertices as ASCII
""" Add one face with 3 or 4 vertices. """
STL file.
if len(face) == 4:
入出力ストリームの初期化
"""
face1, face2 = self._split(face)
（ファイルストリーム）
def __init__(self, stream):
self._write(face1)
facet追加
self.fp = stream
self._write(face2)
self._write_header()
elif len(face) == 3:
self._write(face)
ヘッダー出力（solid名は決め打ち）
def _write_header(self):
else:
self.fp.write("solid python¥n")
raise ValueError('only 3 or 4 vertices for each face')
STLファイル終了
def close(self):
self.fp.write("endsolid python¥n")
Facetデータ出力
def _write(self, face):
self.fp.write(ASCII_FACET.format(face=face))
def add_faces(self, faces):
""" Add many faces. """
for face in faces:
self.add_face(face)
Facet複数追加
def _split(self, face):
四角形を三角形に分割
p1, p2, p3, p4 = face
return (p1, p2, p3), (p3, p4, p1)
2015/11/14
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(cont.)
class BinarySTLWriter(ASCIISTLWriter):
"""
Export 3D objects build of 3 or 4 vertices as binary STL file.
"""
入出力ストリームの初期化
def __init__(self, stream):
（ファイルストリーム）
self.counter = 0
super(Binary_STL_Writer, self).__init__(stream)
def close(self):
self._write_header()
STLファイル終了
def _write_header(self):
ヘッダー出力
self.fp.seek(0)
self.fp.write(struct.pack(BINARY_HEADER, b'Python Binary STL Writer', self.counter))
def _write(self, face):
self.counter += 1
Facetデータ出力
data = [
0., 0., 0.,
face[0][0], face[0][1], face[0][2],
face[1][0], face[1][1], face[1][2],
face[2][0], face[2][1], face[2][2],
0
]
self.fp.write(struct.pack(BINARY_FACET, *data))
2015/11/14
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Appendix: MeshLabによるSTLデータ修正
• 公開3D STLデータの例 Honda NSX Consept（ http://www.honda-3d.com/ ）
• nsx_concept_LOW.stl
SolidWorksでは読み込めますが（パッと見OK），これをそのままsHMに使うとエラーになります。
2015/11/14
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Close Holes
• Filters → Remeshing,simpl・・・ → Close Holes
• 欠落したfaceを再構成
欠損したface
修正後
修正前
2015/11/14
faceの修正
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
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Mesh reduction
• Filters → Remeshing,simpl・・・ → QuadricEdgeCollapseDecimation
• Target number of facesを修正（もしくはpercentage of reduction）
• Preserve boundary of the meshにチェックをいれる
オリジナル： 約21万faces
2015/11/14
修正後： 10万faces
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
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Mesh subdivision
• Filters → Remeshing,simpl・・・ → Subdivision Surfaces: midpoint
• Face edgeの中点を使ってメッシュを細分化
Iteration 3回後
2015/11/14
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
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Mesh smoothing
• Filters → Smoothing,Fairing・・・ → Laplacian smooth (surface preserving)
• ラプラス方程式を用いたメッシュスムージング
Iteration 10回後
2015/11/14
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そのほかの修正コマンド
Non manifoldなメッシュの除去
• Filters -> Cleaning and Repairing -> Remove Non Manifold Faces
• Filters -> Cleaning and Repairing -> Remove Non Manifold Vertices
法線ベクトルの裏表の整列
• Filters->Normals, Curvatures and Orientation->Re-Orient All Faces Coherently
メッシュの粗粒化（形状変更を伴うことが多い）
• Filters -> Rendering, simplification and reconstruction -> Quadric Edge Collapse
Decimation
2015/11/14
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Manifold conditions
① Each edge is incident to only one or two faces
② The faces incident to a vertex form a closed or an open fan
このようなメッシュ(黄色)は”Non-Manifold mesh”となり，しばしばエラーになります．
From http://www.cs.mtu.edu/~shene/COURSES/cs3621/SLIDES/Mesh.pdf
2015/11/14
第6回OpenCAE初歩情報交換会＠北東北
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参考文献/URL
− http://www-bl20.spring8.or.jp/~sp8ct/tmp/stl.pdf
− http://www.fabbers.com/tech/STL_Format
− http://www.hiramine.com/programming/3dmodelfileformat/stlfileformat.html
− https://ja.wikipedia.org/wiki/Standard_Triangulated_Language
次回は、STLファイルを使ってsHMもしくはcfMeshによるメッシュ生成や
境界生成(autoPatchコマンドなど）のまとめについてお話しする予定です。
2015/11/14
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